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第五章 原子与原子核
第五节 裂变和聚变
较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这些核能。在这些装置中，核能是怎样被转化和使用的呢？
1.了解核裂变和核聚变的概念和原理
2.了解核能的应用
一、核裂变与链式反应
1938年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的过程中发现，生成物中有原子序数为56的元素钡。
奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此做出了解释，铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块。弗里施借用细胞分裂的生物学名词，把这类核反应定名为核裂变。
哈恩
迈特纳
弗里施
1.核裂变：少数重核受粒子打击，分裂成质量较小的核，释放核能的反应。
铀核裂变的一种典型情形
核裂变的特点
裂变过程中能放出巨大的能量,一个核裂变时能释放200MeV的能量
裂变的同时能放出2~3个(或更多个)中子
产物不是唯一的
Xe和Sr
氙和锶
Ba和Kr
钡和氪
Sb和Nb
锑（tī）和铌（ní）
需依据实验事实！
2.链式反应
（1）定义：当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且能不断继续下去，这样的核反应叫链式反应
（2）必要条件：核裂变物质的体积大于或等于临界体积、临界质量
原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过时，就有可能不到铀核而跑到铀核外面去，链式反应不能继续。通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量
关于铀核裂变的说明：
① 铀235俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大。
② 铀238只有在俘获的中子的能量大于1MeV时才能发生核反应，且裂变的几率较小。
对于能量低于1MeV的中子基本只能与238铀核发生弹性碰撞，不能引起核反应。
为了使裂变的链式反应容易发生，最好是利用高浓度铀235 !
二、核聚变及受控热核反应
讨论与交流：
要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到10-15m 以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。也就是说，原子核要有很大的动能才会“撞”到一起。什么办法能使大量原子核获得足够的动能而发生核聚变呢？
（1）把原子核加热到很高的温度，使原子核具有很大的动能。
（2）利用加速器对原子进行加速。
核聚变又叫作热核反应
受控热核反应：热核反应所释放的巨大能量不是以爆炸的形式释放，而是在人工控制下逐渐地释放出来并加以利用。
与核裂变相比，核聚变有很多优点。
①轻核聚变产能效率高，也就是说，相同质量的核燃料，反应中产生的能量比较多。
②地球上核聚变燃料氘和氚储量丰富。
③轻核聚变更为安全、清洁。
核聚变普遍存在于宇宙中
恒星
科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿~100亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！
热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达1000万以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。
太阳每秒释放的能量约为3.8×1026 J，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有7亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。
太阳聚变反应
三、核能利用
1.核电站：
核电站是利用原子核裂变反应释放出能量，经能量转化而发电的。
核电站优点：
① 消耗的核燃料少
② 污染小
一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30吨左右，而同样功率的火电站每年要消耗煤250万吨。核电站对环境的污染比火电站小。
除了核电站以外，还能制作核动力潜艇，破冰船和核动力航母
2.核反应堆：
由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，它是核反应堆的燃料。
①铀棒：
②石墨(或重水)：石墨(或重水)作为慢化剂，附着在铀棒周围，使反应生成的快中子变为慢中子，便于被铀235“捉”住，发生核裂变。
屏蔽射线，防止放射性污染。
④水泥防护层：
主要作用是吸收中子，控制反应速度，所以叫作控制棒。
③镉棒：
1.(多选)关于重核裂变的说法正确的是(　　 )
重核裂变为两个中等质量的核时，重核的中子数要比裂变后的两个中等质量核的中子数多
B. 只要用中子轰击铀块，就一定能发生链式反应
C. 为了使裂变的链式反应容易发生，不能利用裂变时产生的中子
D. 裂变过程中释放能量，质量亏损
AD
2.裂变反应中释放出的能量来自于(　 　)
A.核子消失转化为能量
B.原子中电子与原子核的电势能减小
C.入射的中子消失转化为能量
D.原子核的比结合能变大，释放出能量
D
3.如图是核反应堆的示意图，对核反应堆的认识，下列说法正确的是( )
A. 铀棒是核燃料，核心物质是铀238
B. 石墨起到吸收中子的作用
C. 镉棒起到使中子减速的作用
D. 水泥防护层的作用是为了阻隔γ射线，
避免放射性危害
D
4.如图所示是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法中正确的是(　　)
A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应
B．快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，
变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应
C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些
D．要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些
B
裂变和聚变
核裂变与链式反应
核聚变及受控热核反应
定义：少数重核受粒子打击，分裂成质量较小的核，释放核能的反应
链式反应：当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且能不断继续下去
定义：轻核结合成质量较大的原子核的反应
受控热核反应：热核反应所释放的巨大能量不是以爆炸的形式释放，而是在人工控制下逐渐地释放出来并加以利用。
核能利用
核电站
核反应堆
原子弹
氢弹

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